淺析水利工程中邊坡加固處理技術(shù)

□趙 芳（貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院）

在水利水電工程中經(jīng)常會遇到邊坡穩(wěn)定的問題。工程中的邊坡穩(wěn)定性直接決定了項目建設(shè)的可行性，對工程的安全運行和項目投資有著很大的影響。曾經(jīng)很多大型水利水電工程項目在施工過程中出現(xiàn)了邊坡失穩(wěn)的問題，例如漫灣水電站左岸壩肩高邊坡、天生橋水電站廠區(qū)邊坡、安康水電站壩區(qū)邊坡、龍羊峽水電站虎山坡邊坡等。在治理這些工程邊坡失穩(wěn)問題時花費了大量的人力和金錢，同時施工工期也受到了影響，這個問題在我國水利工程項目施工過程中越來越嚴峻，甚至有些項目的邊坡工程是影響工程施工進度和是否竣工的關(guān)鍵。我國正在建設(shè)一大批大型重點水利項目，例如李家峽、三峽、龍灘、拉西瓦等水利工程都面臨著嚴重的邊坡穩(wěn)定問題。其中國家重點項目三峽工程，庫區(qū)范圍內(nèi)存在著十幾處近億立方米的滑坡體，龍灘水電站的邊坡也存在總計超過1000萬m3的傾斜蠕變體，在拉西瓦水電站的下游同樣也有著大約700m的大型不穩(wěn)定山體。這些水利工程的項目規(guī)模和所面臨的技術(shù)難度都是非常重大的,所以重視水利工程邊坡工程的科學研究，努力研究出一套科學有效的邊坡工程勘測、設(shè)計、施工、監(jiān)測技術(shù)，已經(jīng)成為水利工程領(lǐng)域熱門的科研課題。以下將通過噴錨防護、預(yù)應(yīng)力錨索梁和巖質(zhì)邊坡綠化噴播技術(shù)3個重要的方面對水利工程中邊坡加固處理技術(shù)進行分析。

1.錨桿支護技術(shù)

錨桿支護是一種主動加固巖土體的技術(shù)措施，能夠有效地控制巖土體的變形，防止土體發(fā)生坍塌。通過錨固的長度可以將錨桿劃分為全長錨固和端頭錨固兩種；還可以根據(jù)錨固方式分為粘結(jié)錨固、機械錨固、摩擦式錨固等。

1.1 錨桿支護的作用機理

1.1.1 懸吊作用

錨桿支護通過錨桿能夠使松動、軟弱、不穩(wěn)定的土體懸掛在穩(wěn)定的巖土體中，避免其發(fā)生離層滑落。錨桿主要是提供拉力起懸吊的作用，使其能夠克服不穩(wěn)定巖土體的自重或者下滑力，來保障邊坡巖土體的穩(wěn)定。

1.1.2 組合梁作用

薄層狀的巖土體僅僅是簡單疊合在一起，可以看作簡支梁結(jié)構(gòu)。沒有進行錨固工作前，在荷載作用下巖體上下緣分別處于受壓和受拉狀態(tài)，單個簡支梁都出現(xiàn)獨自的彎曲變形。而通過錨桿對其進行支護后，相當于一種組合梁結(jié)構(gòu)，各層巖體發(fā)生相互擠壓，層間的摩阻力也會隨之增加，組合梁的抗彎強度也得到增強，這樣就提高了邊坡巖土體的承載能力。錨桿直接影響到其強度，隨著錨固力的增大而增大。

1.1.3 擠壓加固作用

通過錨桿作用能夠形成一種錐形壓縮帶，使相鄰錨桿形成的錐形體壓縮區(qū)相互重疊，這樣就出現(xiàn)了具有一定厚度的連續(xù)壓縮帶，大幅度地提高了邊坡巖體的承載能力。在邊坡出現(xiàn)軟弱破碎巖土體時錨桿擠壓加固作用特別顯著。

1.1.4 圍巖強度強化理論

錨桿支護本質(zhì)上是改善了邊坡加固區(qū)的力學參數(shù)，從而保證了邊坡工程中巖體的穩(wěn)定性。

1.2 國外巖石錨桿設(shè)計技術(shù)

在設(shè)計堅硬巖層錨桿的錨固深度過程中，假定巖石均質(zhì)，對于單根錨桿而言頂角90°軸線與錨桿中心線重合的圓錐形是其影響區(qū)。那么理論上錨桿所需的深度為：

當錨桿垂直于巖層的走向時，錨固效果是最好的。如果工程中出現(xiàn)的不規(guī)則節(jié)理巖體和軟弱的巖石，可以采用L.Hobst推導的公式來確定錨固深度，該公式假定巖塊側(cè)面的摩阻力等于錨桿的抗拔力，而通過圓形或圓錐形的巖塊來傳遞錨桿上的應(yīng)力，錨桿端部的上撐力產(chǎn)生的側(cè)向應(yīng)力決定了摩阻力的數(shù)值，在邊坡表面附近該應(yīng)力為零，然后隨著錨桿深度增加到根端平面處的最終值σh。σh可通過以下公式計算：

2.預(yù)應(yīng)力錨索梁技術(shù)

隨著邊坡加固技術(shù)水平的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了一種新型加固措施—預(yù)應(yīng)力錨索梁，它主要由錨梁和錨索兩部分組成。錨索一般分為臨時性錨索和永久性錨索兩大類。

2.1 預(yù)應(yīng)力錨索梁作用機理

錨索能夠使松散軟弱的巖層連接成一個整體，同時將其錨固在深處穩(wěn)定的巖體上，然后進行預(yù)應(yīng)力的施加，那么錨索長度范圍內(nèi)的松散軟弱的巖層就會被壓實擠密，巖層間的摩擦力和正壓力都會得到提高，防止松散巖體開裂發(fā)生位移，從而實現(xiàn)對邊坡進行有效加固的目的。根據(jù)錨固段的受力情況可將錨索分為3種：荷載分散型錨索、荷載集中型錨索以及拉壓復(fù)合型錨索。工程中應(yīng)用最廣泛的是荷載分散型錨索。

2.2 預(yù)應(yīng)力錨索梁技術(shù)設(shè)計方法

由于目前理論水平的局限性，工程中邊坡預(yù)應(yīng)力錨索梁技術(shù)的設(shè)計方法通常采用類比法，主要根據(jù)技術(shù)人員設(shè)計的經(jīng)驗來確定錨索的設(shè)計參數(shù)，但對于錨索的作用機理的研究還不是非常深入，現(xiàn)在還未能形成一套完善科學的分析設(shè)計方法。目前國內(nèi)水利工程設(shè)計領(lǐng)域，對于計算拉力型錨索巖土體中錨索的極限承載力通常采用的是英國BS8081建議的公式，假定條件是粘結(jié)應(yīng)力沿錨固段全長均勻分布。日本工程學者尾高英雄等依據(jù)變形一剪應(yīng)力理論(即局部變形假定)提出壓力分散型錨索的設(shè)計方法，該方法需要假定錨索體與注漿體的復(fù)合體與周邊巖體界面的粘結(jié)強度τ不隨錨固體的長度而發(fā)生變化，是一個定值，以此來計算得出錨索的極限承載力。

2.3 壓力分散型錨索優(yōu)缺點

壓力分散型錨索的優(yōu)點和缺點都很明顯。其優(yōu)點主要有：錨固段注漿體受壓、受力更合理，錨索的承載體分散受力，這種錨索結(jié)構(gòu)在抗剪強度不高的軟巖體或者某些土層的邊坡加固工程中特別適用。它的缺點是：在長期的工作狀態(tài)下鋼絞線的拉伸應(yīng)力難以保持一致，施工過程中錨索的預(yù)應(yīng)力調(diào)整不是非常方便，對錨具的要求非常高，而且施工過程非常繁瑣。

3.坡面防護

巖質(zhì)邊坡綠化噴播技術(shù)是坡面防護工程中重要的技術(shù)手段，巖質(zhì)邊坡綠化噴播技術(shù)主要指在坡面形成一種綠化植物能夠正常生長發(fā)育，同時基質(zhì)又不會被沖刷的穩(wěn)定坡面結(jié)構(gòu)；它利用特制的工程機械把植物養(yǎng)料、土壤、保水材料、植物種子、水泥等混合料加水后噴射到邊坡巖面上，因為水泥會產(chǎn)生粘結(jié)作用，混合物能夠在邊坡表面形成一層的硬化體。這一層硬化體具有連續(xù)空隙的特點，不僅能夠保證種植免遭沖蝕，而且硬化體的空隙中填有種子、土壤等，種植基質(zhì)有一定的填充空間，植物根系也有充足的生長空間。這種技術(shù)主要用于處理開挖后的巖體邊坡不宜直接進行綠化的情況。

巖質(zhì)邊坡綠化噴播技術(shù)的主要施工過程是：先進行修整邊坡，錨桿、掛網(wǎng)，然后噴射7～8cm厚不含植物種子的混合料，第二次噴射2～3cm厚含有種子的混合料，在噴射工作結(jié)束后要進行覆蓋保濕，防止雨水沖刷。如果混合料噴播后沒有下雨應(yīng)該每天進行澆水以保障土壤濕潤，在成坪后才可以逐步減少澆水的次數(shù)。

4.結(jié)語

目前我國水利工程建設(shè)發(fā)展迅速，出現(xiàn)大量的重要邊坡工程，其邊坡加固問題極其重要。在水利工程中對邊坡進行防護，首先要考慮邊坡的穩(wěn)定和加固問題，避免邊坡受到雨水的沖刷，防止和減弱邊坡巖石表面的風化、剝蝕和破碎過程，采取科學有效的加固技術(shù)保證工程邊坡的整體穩(wěn)定。

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